小浪底水庫調(diào)沙試驗水庫聯(lián)合調(diào)度預(yù)案研究

小浪底水庫調(diào)沙試驗水庫聯(lián)合調(diào)度預(yù)案研究

1異重流的塑造在小浪底水庫的儲沙期，尤其是儲沙初期，水庫處于蓄水狀態(tài)，并保持較大的儲水體。當(dāng)大量泥沙涌入庫區(qū),惟有形成異重流方能排沙出庫,進而達到減少水庫淤積,延長水庫壽命的目的。黃河第三次調(diào)水調(diào)沙試驗,是在黃河中游未發(fā)生洪水的情況下,通過泄放萬家寨(小浪底大壩上游約946km)、三門峽(小浪底大壩上游約126km)及小浪底水庫汛限水位以上的蓄水,塑造對沖刷下游河道有利的流量過程,以達到擴大河道過洪能力的目的。與此同時,伴隨著水庫泄水并逐步泄空,非汛期攔截在三門峽庫區(qū)的泥沙隨之大量排出而進入小浪底水庫。通過萬家寨、三門峽與小浪底水庫精確聯(lián)合調(diào)度,塑造出滿足在小浪底庫區(qū)形成異重流并能排沙出庫的水沙過程,達到既能排出三門峽庫區(qū)非汛期淤積物,又可有效地減少小浪底水庫淤積的目的。顯然,異重流的成功塑造并排沙出庫必須建立在對自然現(xiàn)象和自然規(guī)律的認知之上。本文在對小浪底水庫實測異重流資料深入研究分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合相關(guān)實體模型和水槽試驗及前人的研究成果,首次定量提出小浪底水庫異重流潛入條件及持續(xù)運行條件,不同水沙組合條件下異重流運行速度及排沙效果,以此為基礎(chǔ),編制調(diào)水調(diào)沙試驗調(diào)度預(yù)案,實施過程中在小浪底庫區(qū)成功塑造異重流并排沙出庫,達到了減少水庫淤積、優(yōu)化出庫水沙組合等多項預(yù)期目標(biāo)。2小浪底水庫穩(wěn)定性分析對水庫異重流的研究已有近一個世紀(jì)的歷史,國內(nèi)外不少學(xué)者對水庫異重流的產(chǎn)生、輸移等問題過去均作過大量研究,取得了許多成果。但由于水庫異重流的產(chǎn)生及輸移不僅受水沙條件,而且受河道邊界條件的影響巨大。小浪底水庫入庫水沙條件除取決于自然條件,且受制于其上游三門峽水庫調(diào)節(jié)的影響;小浪底庫區(qū)平面形態(tài)復(fù)雜,頻繁出現(xiàn)局部放大、收縮或彎曲等突變地形,在地形變化劇烈處會產(chǎn)生局部損失。尤其是庫區(qū)十余條較大支流入?yún)R,在干支流交匯處往往發(fā)生異重流向支流倒灌,使異重流沿程變化特性更為復(fù)雜。因此,針對小浪底水庫異重流水沙輸移規(guī)律進行專題研究是十分必要的。2.1異重流入庫位置庫區(qū)清水與進入庫區(qū)的渾水之間的容重差是產(chǎn)生異重流的根本原因。其物理實質(zhì)是在虛擬的清渾水垂直交界面上兩側(cè)的壓力不同,渾水一側(cè)的壓力大于清水一側(cè)而產(chǎn)生壓力差,且越近河底壓力差越大,就促使渾水向清水側(cè)以下潛形式流動。從實際的觀測資料可看出,挾沙水流進入水庫的壅水段之后,由于沿程水深的不斷增加,其流速及含沙量分布從明流分布狀態(tài)逐漸變化,水流最大流速由接近水面向庫底轉(zhuǎn)移,當(dāng)水流流速減小到一定值時,渾水開始下潛并且沿庫底向前運行。大量的原型資料及試驗結(jié)果表明,異重流潛入位置主要與該處水深、入庫流量、含沙量等因素有關(guān)。分析小浪底水庫實測資料及黃科院近期進行的水槽試驗與小浪底水庫模型試驗資料,結(jié)果表明小浪底水庫異重流潛入點水流泥沙條件基本符合異重流潛入的一般規(guī)律V0√ηggh0=0.6(V0V0ηggh0√=0.6(V0、h0分別為異重流潛入處流速及水深,ηg為重力修正系數(shù)),見圖1。異重流是否發(fā)生,與入庫流量和含沙量的大小及之間的組合、泥沙級配、潛入點的斷面特征等因素有關(guān)。綜合分析小浪底水庫歷次異重流資料,得出小浪底水庫發(fā)生異重流的臨界水沙條件為:入庫流量Qi一般應(yīng)不小于300m3/s。若流量大于800m3/s時,相應(yīng)入庫含沙量Si約為10kg/m3;流量Qi約為300m3/s時,要求水流含沙量Si約為50kg/m3;流量介于300～800m3/s之間時,水流含沙量可隨流量的增加而減少,兩者之間的關(guān)系可表達為Si≥74-0.08Qi。2.2異重流阻力的計算異重流與一般明渠流或有壓管流的根本差異是其具有特殊的邊界條件。異重流的上邊界是可動的清水層,一方面清水層對其下面的異重流運動有阻力作用;另一方面本身可被異重流拖動,形成回旋流動。此外清渾水還有摻混現(xiàn)象等。上邊界會隨異重流運動而發(fā)生變化,反過來必然對異重流阻力產(chǎn)生不同的影響,使異重流阻力問題顯得非常復(fù)雜。因此,異重流運動方程和能量方程中的阻力通常用一個包括床面阻力系數(shù)λ0及交界面阻力系數(shù)λi在內(nèi)的綜合阻力系數(shù)λm來表示,λm采用范家驊的阻力公式計算。即:λm=8R′heηggheV2e(J0-dheds(1-V2eηgghe))(1)式中:J0為河底比降;dhe/ds為異重流厚度沿程變化;he、Ve分別為異重流厚度及流速。用式(1)計算小浪底水庫不同測次異重流沿程綜合阻力系數(shù)λm,平均值約為0.022～0.029。2.3沉速的計算運用能耗原理,建立異重流挾沙力公式(2)。該式可反映異重流多來多排的輸沙規(guī)律,并利用三門峽、小浪底水庫實測及模型試驗資料進行了檢驗。S*e=2.5[SveV3eκγs-γmγmg′heωsln(heeD50)]0.62(2)上式單位采用kg、m、s制?其中沉速可由下式計算ωs=ω0[(1-Sve2.25√d50)3.5(1-1.25Sve)](3)式中:κ為渾水卡門常數(shù);γm為渾水容重;ωs為泥沙在渾水中的群體沉速;ω0為泥沙在清水中的沉速;D50為床沙中徑;d50為懸沙中徑;Sve為以體積百分比表示的異重流含沙量。2.4入庫參數(shù)選取水庫產(chǎn)生異重流并能達到壩前,除需具備一定的洪水歷時之外,還需滿足一定的流量及含沙量,即形成異重流的水沙過程所提供給異重流的能量,足以克服異重流的能量損失。異重流的流速及挾沙力與其含沙量成正比,形成異重流的流速與含沙量具有互補性。圖2為基于小浪底水庫發(fā)生異重流時入庫水沙資料點繪的小浪底水庫入庫流量與含沙量的關(guān)系(圖中點群邊標(biāo)注數(shù)據(jù)為細泥沙的沙重百分?jǐn)?shù)),從點群分布狀況可大致劃分A、B、C個區(qū)域。A區(qū)為滿足異重流持續(xù)運動至壩前的區(qū)域,即小浪底水庫入庫洪水過程在滿足一定歷時且懸移質(zhì)泥沙中粒徑小于0.025mm的沙重百分?jǐn)?shù)約為50%的前提下:若500m3/s≤Qi<2000m3/s,且滿足Si≥280-0.12Qi,則So>0;若Qi>2000m3/s,且滿足Si>40kg/m3,則So>0。B區(qū)涵蓋了異重流可持續(xù)到壩前與不能到壩前兩種情況。其中異重流可運動到壩前的資料往往具備以下3種條件之一:(1)處于洪水落峰期,此時異重流行進過程中需要克服的阻力要小于其前鋒所克服的阻力;(2)雖然入庫含沙量較低,但在水庫進口與水庫回水末端之間的庫段產(chǎn)生沖刷,使異重流潛入點斷面含沙量增大;(3)入庫細泥沙的沙重百分?jǐn)?shù)基本在75%以上。C區(qū)為Qi<500m3/s或Si<40kg/m3部分,異重流往往不能運行到壩前。當(dāng)入庫流量及水流含沙量較大時,懸移質(zhì)泥沙中粒徑小于0.025mm的沙重百分?jǐn)?shù)di可略小,三者之間的函數(shù)關(guān)系基本可用式Si=980e-0.025di-0.12Qi描述。以上各式中,角標(biāo)i、o分別表示入庫及出庫相關(guān)參數(shù)。影響異重流輸移條件不僅與水沙條件有關(guān),而且與邊界條件關(guān)系密切,若邊界條件發(fā)生較大變化,上述臨界水沙條件亦會發(fā)生相應(yīng)變化。2.5計算含沙量的參數(shù)化采用韓其為含沙量及級配沿程變化計算公式,并利用小浪底水庫實測異重流資料對飽和系數(shù)α值進行了率定。Sj=Sin∑l=1Ρ4,l,ie(-αωLq)(4)Ρ4,l=Ρ4,l,i(1-λ)[(ωlωm)v-1](5)式中:Si、Sj分別為潛入斷面和出口斷面的含沙量;P4,l,i為潛入斷面級配百分?jǐn)?shù)由實測資料率定;q為單寬流量;l為粒徑組號;ωl為第l組粒徑沉速;P4,l為出口斷面級配百分?jǐn)?shù);ωm為有效沉速;λ為淤積百分?jǐn)?shù);v取0.5。3確定不同泄放流量的充分發(fā)揮模型的背景及過程黃河第3次調(diào)水調(diào)沙試驗,通過水庫群聯(lián)合調(diào)度,在小浪底庫區(qū)首次成功地塑造出異重流,并實現(xiàn)排沙出庫,發(fā)展了水庫排沙途徑。調(diào)水調(diào)沙試驗及異重流塑造是黃河治理的一次重大實踐,也是對認識自然規(guī)律的一次檢驗,具有重要的現(xiàn)實意義及學(xué)術(shù)價值。調(diào)水調(diào)沙試驗的時機選擇在汛前,整個過程可劃分4個階段:首先泄放小浪底水庫部分蓄水,泄放流量應(yīng)對下游河道沖刷及灘區(qū)安全最為有利,泄放歷時應(yīng)使庫區(qū)尾部三角洲充分暴露;第二步,三門峽水庫泄水直至泄空,泄流量應(yīng)滿足調(diào)整小浪底庫區(qū)淤積三角洲形態(tài)的要求,并能在回水區(qū)形成異重流;第三步,萬家寨泄放的水流沖刷三門峽庫區(qū)非汛期攔截的泥沙,在小浪底庫尾繼續(xù)沖刷,進入回水區(qū)形成異重流;最后小浪底水庫繼續(xù)泄水至汛限水位。異重流的塑造主要發(fā)生在第2及第3階段,其中三門峽水庫泄流量的大小及萬家寨水庫泄水時機是塑造異重流的關(guān)鍵。3.1驅(qū)動地震沖刷小浪底庫下泄三門峽水庫下泄流量的目的是調(diào)整小浪底庫區(qū)淤積形態(tài)并塑造異重流。因此選擇三門峽水庫下泄流量的大小主要考慮兩方面的因素:一是充分調(diào)整小浪底庫尾淤積三角洲形態(tài)的需要,即滿足小浪底水庫上段在橫向及縱向均得到充分調(diào)整,因此在水庫蓄水量一定的情況下,應(yīng)優(yōu)化泄水流量(滿足沖刷橫貫整個斷面)與歷時(滿足縱向調(diào)整)的組合;二是在水流沖刷小浪底庫尾淤積三角洲時有較大的能量,使懸浮到水體中的泥沙滿足異重流產(chǎn)生并持續(xù)運行至壩前的需要。對于一般的沙質(zhì)河床,河槽寬度B與流量Q之間的關(guān)系可以用公式B=38.6Q0.31表達。小浪底庫區(qū)上段平均河寬約400m,若滿足全斷面沖刷,則流量應(yīng)不小于2000m3/s;從滿足異重流持續(xù)運行至壩前的角度出發(fā),由圖2看,臨界含沙量所相應(yīng)的臨界流量約為2000m3/s。因此,三門峽水庫控制下泄流量應(yīng)不小于2000m3/s?？紤]到三門峽水庫泄流初期下泄清水,在小浪底庫區(qū)淤積三角洲洲面沖刷恢復(fù)的泥沙粒徑比較粗,異重流的前鋒在前進過程中所要克服的阻力最大,因而所需的力量要比后續(xù)潛流大,加之小浪底水庫支流眾多,大量渾水向支流倒灌,使渾水流量沿程減小等因素。三門峽水庫泄水初期還應(yīng)進一步加大下泄流量。3.2流銜接的配合水庫形成異重流排沙,不僅需要滿足一定的流量及歷時,而且需滿足水流有足夠的含沙量特別是具有足夠的細顆粒泥沙含量。因此,確定萬家寨與三門峽水庫泄量及泄流時機,既要保證兩庫泄流銜接,還應(yīng)保證水流在傳播的過程中,能沖起并挾帶一定量的泥沙。不同調(diào)度方案分析結(jié)果表明,三門峽出庫的沙峰來自該水庫臨近泄空及接而來的萬家寨來水在該庫區(qū)的敞泄沖刷。因此,萬家寨水庫泄流與三門峽水庫水位對接的時機,應(yīng)是萬家寨水庫泄流在三門峽水庫水位下降至310m及其以下時演進至三門峽水庫,并且在來自萬家寨水庫的水流傳播至三門峽水庫后,適當(dāng)加大三門峽下泄流量,使水庫迅速泄空,營造萬家寨來水可產(chǎn)生沿程沖刷與溯源沖刷的邊界條件,最大限度地沖刷三門峽水庫淤積物,為小浪底水庫異重流提供連續(xù)的水源動力和充足的細泥沙來源。3.3水庫排沙過程計算方法萬家寨、三門峽、小浪底水庫汛前可調(diào)節(jié)水量分別為2.15億m3、4.72億m3、31.6億m3。為進行方案比選,分析了三門峽水庫下泄流量分別控制為2000m3/s及2500m3/s兩個方案。采用黃科院準(zhǔn)二維恒定流泥沙沖淤水動力學(xué)數(shù)學(xué)模型計算三門峽水庫不同調(diào)度方式下庫區(qū)排沙過程;分別采用類比法,即利用三門峽水庫泄空期三角洲頂點觀測資料類比分析,以及計算公式qs*=k(γmqj)m(j為比降;k、m分別為率定的系數(shù)、指數(shù))分析計算小浪底水庫庫尾三角洲頂坡段輸沙過程;采用式(4)及式(5)計算小浪底水庫異重流排沙過程。計算結(jié)果見表1。計算結(jié)果表明,三門峽水庫泄水初期,在蓄水量較大的情況下,水庫基本上不排沙,在接近泄空時,大量的泥沙才會被排泄出庫。方案1與方案2三門峽站含沙量分別在第4d及第3d才突然增大至136.9kg/m3及94.2kg/m3。三門峽水庫泄空后,接■而來的萬家寨水庫來水,可在三門峽庫區(qū)產(chǎn)生較大的沖刷而使出庫含沙量較大;對比河堤站與三門峽站含沙量看出,三門峽及萬家寨水庫泄放的洪水過程在小浪底水庫上段淤積三角洲產(chǎn)生沖刷,可使水流含沙量增加30～50kg/m3;方案1第1～3d,產(chǎn)生異重流的流量為2000m3/s、含沙量為33.4～37kg/m3,由前分析,這種水沙組合基本處于異重流可否運行至壩前的臨界狀態(tài),因此在表中出庫站小浪底站含沙量列出了2個極限值。方案2三門峽出庫流量按2500m3/s控制,均可滿足異重流排沙出庫。3.4小浪底水庫水資源黃河第3次調(diào)水調(diào)沙試驗達到了以下試驗?zāi)繕?biāo):(1)小浪底庫尾淤積形態(tài)得到調(diào)整。調(diào)水調(diào)沙試驗結(jié)束,小浪底水庫尾部淤積三角洲頂點由距壩70km下移至距壩47km,在距壩70～110km之間河底平均下降近20m。(2)塑造異重流排沙出庫。異重流塑造分兩個階段。一是7月5日15時始,三門峽水庫清水下泄,小浪底水庫淤積三角洲發(fā)生了強烈沖刷,在距壩約57km處形成異重流,并持續(xù)向壩前推進;二是7月7日8時萬家寨水庫泄流和三門峽水庫泄流對接后加大三門峽水庫泄水流量,并沖刷三門峽庫區(qū)淤積的泥沙。7月8日13時50分,小浪底庫區(qū)異重流排沙出庫。(3)深化對異重流運動規(guī)律認識。黃河第3次調(diào)水調(diào)沙試驗,經(jīng)歷了由實踐—認識—實踐的過程。通過對調(diào)水調(diào)沙試驗的總結(jié),將實現(xiàn)再認識的過程,這對今后小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙具有重要意義。(4)黃河下游主河槽沿程沖刷。4小浪底水庫天然來水來沙條件的量化描述(1)小浪底水庫攔沙初期,進入水庫的泥沙惟有形成異重流方能排泄出庫。顯而易見,通過水庫調(diào)度合理,可充分利用異重流的規(guī)律,達到延長水庫壽命的目的。(2)通過對小浪底水庫異重流實測資料整理、二次加工及分析,水槽試驗及實體模型相關(guān)試驗成果,結(jié)合對前人提出的計算公式的驗證等,提出了可定量描述小浪底水庫天然來水來沙條件及現(xiàn)狀邊界條件下,異重流持續(xù)運行條件、不同水沙組合條件下異重流運行速度及排沙效果的表達式,在調(diào)水調(diào)沙試驗中發(fā)揮了應(yīng)有的作用。(3)小浪底